浆料分散性的表征方法

浆料的稳定性和分散性对极片的性质、电池成品的性质有着重要的影响。那么如何表征浆料的稳定性和分散性呢?

浆料的分散性表征方法有如下几种:

1. 细度

细度是电池浆料的重要性能指标,可反映浆料粒度和分散性等信息,通过细度值可以了解浆料中颗粒有没有被分散,团聚体有没有解聚。

2. 膜阻抗

锂电池浆料是将电极活性材料和导电剂分散于粘结剂溶液中形成的固液混合体系。根据四探针膜阻抗测试原理,测试浆料膜阻抗,通过电阻率可定量分析浆料中导电剂的分布状态,判断浆料分散效果的好坏。具体测试过程为:用涂膜器将浆料均匀涂覆在绝缘膜上,然后将其加热干燥,干燥之后测量涂层的厚度,裁切样品,尺寸满足无穷大要求,最后采用四探针测量电极膜阻抗,根据厚度计算电阻率。

3.扫描电镜/能谱分析/冷冻电镜

扫描电镜(SEM)可以用来直接观察浆料的形貌,配合能谱分析(EDS)各组分的分散程度。但是在制备样品时,浆料在这个过程中干燥可能会引起本身成分的再分布,冷冻电镜(Cryo-SEM)则能够保持浆料成分原始的分布状态,因此近来也开始应用于浆料性质分析。

4. 极片CT成像

极片CT成像可以直接观察极片中颗粒的分散状态。如下图所示,图a极片里面大颗粒团聚较多,图b极片团聚颗粒明显减少,而图c极片中几乎没有团聚得大颗粒。

5. 激光衍射测量技术

激光衍射测量技术应用菲涅尔散射理论和弗朗禾费理论求得颗粒粒径大小和分布的技术。以该技术为依托的激光粒度仪测量精度高、重复性好,且测量时间短,目前已被广泛应用于电池厂,用来测试电池中浆料的粒度。

6. 电化学阻抗谱分析方法

Wang等采用电化学阻抗谱分析方法(EIS),直接对液态浆料进行阻抗谱分析,获得了不同粒子浓度下浆料的电化学特性,并通过阻抗谱拟合结果建立了基于参数等效电路模型的电极浆料内部粒子分布结构评价方法,为锂离子电池浆料内部非均匀结构的在线测量和在线评价提供了新的思路。EIS测试原理如图所示。

来源:锂电芯动

浆料稳定性的表征方法

浆料的稳定性和分散性对极片的性质、电池成品的性质有着重要的影响。那么如何表征浆料的稳定性和分散性呢?

表征稳定性的方法有如下几种:

1. 固含量法

固含量测试法是一个成本低、便于检测的方法,其原理是通过将浆料静置于某一容器内,每间隔一定时间,在同一位置进行采样,进行固含量的测试分析。通过判断固含量的差异,来判断锂电池浆料的稳定性,看是否发送沉降、分层等现象。

2.粘度法

粘度测试法也可以基本反映出浆料稳定性,其原理是将浆料静置于某一容器内,每间隔一定时间,进行粘度的测试,通过粘度的变化,来判断浆料稳定性。

3. 稳定性分析仪

使用稳定性分析仪可以用数据来说话,Sung等利用稳定性分析仪监测了12h内使用PAA为粘结剂的不同酸碱度浆料透光率变化,中性浆料初始透光率和12h的变化值更小。因碳黑材料具有吸光性,更低的透光率表明碳黑颗粒分散性更好,更小的微观团聚体具有较大的比表面积,从而提高了吸光效率,同时12h内浆料透光率变化小表明浆料在静置过程中具有良好的分散稳定性,如下图所示。

4. Zeta电位表征Zeta

电位是指剪切面(Shear Plane)的电位,又叫电动电位或电动电势,是表征胶体分散系稳定性的重要指标。分子或分散粒子越小,Zeta电位的绝对值(正或负)越高,体系越稳定,即溶解或分散可以抵抗聚集。反之,Zeta电位(正或负)越低,越倾向于凝结或凝聚,即吸引力超过了排斥力,分散被破坏而发生凝结或凝聚。

来源:锂电芯动

我市退休老干部一行莅临我院参观调研

10月24日上午,我市退休老干部一行70人到石墨和石墨烯产业园参观。老同志们首先观看了园区宣传短片。

随后到展厅深入了解了永安市石墨烯产业和相关企业的发展情况及创新成果。

讲解员详细的介绍了永安本地微晶石墨产业化应用技术课题攻关项目,力争将永安本地的矿产资源优势转化为产业优势。

 

最后,老同志们参观了我院实验室,了解我院公共技术服务平台建设情况。

 

扫描电镜成像的影响因素

扫描电镜已广泛用于材料科学(金属材料、非金属材料、纳米材料)、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害(火灾、失效分析)鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定等领域。

如何评价扫描电镜成像图片质量?

可以从如下几个方面来考量:

1.分辨率高,显微结构清晰可辨

图1分辨率对图像的影响

2.衬度适中,图像中无论黑区或白区的细节都能看清楚

3.信噪比好,没有明显的雪花状噪声

图2.信噪比对图像的影响

4.景深好,图像没有局域的欠焦或过焦现象

图3.景深对图像的影响

5.真实,图片所展示的是真实的样品形貌和结构

图4.加速电压对样品的损伤造成图像失真

影响扫描电镜成像的关键因素

◆电子枪的种类:场发射、LaB6或钨灯丝的电子枪

图4.不同种类电子枪对比

◆电镜的像差:球差、色差、像散、衍射差

球差:透镜对远离/靠近光轴部分电子的折射能力不同引起,消除方法:1)降低球差系数Cs;2)小孔光阑遮挡外围射线。

色差:电子能量不同引起,消除方法:提高加速电压和透镜电流的稳定度、减小光阑孔径。

衍射差:电子波动性和物镜光阑引起,可通过提高加速电压,选用大孔径光阑消除。

像散:磁线圈加工误差引起,需加装消像散器。

◆电磁透镜的型式:内透镜、外透镜、半内透镜

图5.不同物镜的比较

◆环境因素:振动、磁场、噪音、接地

电镜实验室环境对电镜的最终成像有重要影响,尤其是地基振动、杂散磁场以及接地电阻等。

杂散磁场和低频振动会影响信号电子的运动轨迹,造成电子束畸变,使图像轮廓粗糙,出现尖角和毛刺,亮度不稳定,甚至出现干扰条纹。

对于高分辨的场发射扫描电镜,在高倍下观察时大声说话或者机械噪声都会对图像产生干扰。

◆操作条件:加速电压、工作电流、电子束合轴、物镜光阑、扫描速率、样品处理、真空度等

操作条件的选择是否合适是影响扫描电镜成像的最重要的因素,不同设置条件对图片质量的影响是相互关联的,只有在不同操作条件下寻找最合适的参数组合才能获得高质量的图片。因此对电镜工程师的技术和经验依赖性高。

图6.操作条件对成像的影响

永清石墨烯研究院检测中心简介

检测中心围绕石墨烯和新能源材料相关实验和检测分析搭建实验室业务能力,涵盖材料微观形貌、热学性能、理化性能、力学性能和电池电性能等检测项目,满足企业大部分研发、中试检测需求。检测认证中心通过CNAS认可实验室认证,实验室面积达1600m2,配备日立冷场发射扫描电子显微镜、耐驰激光导热分析仪、梅特勒同步热分析仪等180多台套仪器设备。检测中心秉持“公正、诚信、科学、高效”的原则,竭诚为国内外企业和高校科研院所提供高质量的检测服务。

近期石墨烯相关专利信息

1.广州三孚取得一种铝合金-无机钛瓷-石墨烯复合材料及其制备方法专利

广州三孚新材料科技股份有限公司取得一项名为“一种铝合金-无机钛瓷-石墨烯复合材料及其制备方法”的专利,授权公告号CN 116145135 B,申请日期为2022年12月。

2.柳晶科技取得石墨烯增强酚醛树脂及其制备的覆膜砂专利

柳晶科技集团股份有限公司取得一项名为“一种石墨烯增强酚醛树脂及其制备的覆膜砂”的专利,授权公告号 CN 117801464 B,申请日期为 2023年12月。

3.泰安市三恒自动化设备有限公司取得一种托辊用耐磨石墨烯超高分子量聚乙烯材料和制备方法专利

泰安市三恒自动化设备有限公司取得一项名为“一种托辊用耐磨石墨烯超高分子量聚乙烯材料和制备方法”的专利,授权公告号 CN 117534892 B,申请日期为 2023 年 11 月。

4.深圳金迈克取得一种耐摩擦石墨烯薄膜的制备方法专利

深圳金迈克精密科技有限公司取得一项名为“一种耐摩擦石墨烯薄膜的制备方法”的专利,授权公告号 CN 117801335 B,申请日期为2024年1月。

5.中钢集团南京新材料研究院取得电化学法制备石墨烯的一体化装置及方法专利

中钢集团南京新材料研究院有限公司取得一项名为“一种电化学法制备石墨烯的一体化装置及方法”的专利,授权公告号CN 116395680 B,申请日期为2023年4月。

6.上海纳米技术及应用国家工程研究中心取得一种石墨烯量子点的胺基化修饰方法及其产品专利

上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司取得一项名为“一种石墨烯量子点的胺基化修饰方法及其产品”的专利,授权公告号CN 115849358 B,申请日期为2022年12月。

7.上海纳米技术及应用国家工程研究中心取得一种以非均相催化剂制备石墨烯量子点的方法专利

上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司取得一项名为“一种以非均相催化剂制备石墨烯量子点的方法”的专利,授权公告号CN 115924896 B,申请日期为2022年12月。

8.贝特瑞取得一种超高导热石墨烯复合薄膜及其制备方法与应用专利

深圳市贝特瑞新能源技术研究院有限公司取得一项名为“一种超高导热石墨烯复合薄膜及其制备方法与应用”的专利,授权公告号 CN 118650939 B ,申请日期为 2024 年 8 月。

9.广西振鑫高科取得一种石墨烯板材边料回收装置专利

广西振鑫高科新型材料科技有限公司取得一项名为“一种石墨烯板材边料回收装置”的专利,授权公告号CN 117207483 B,申请日期为2023年10月。

10.南通第六元素申请石墨烯溶液混合装置专利

南通第六元素材料科技有限公司申请一项名为“一种石墨烯溶液混合装置”的专利,公开号 CN 118788225 A,申请日期为2024年9月。

11.辽宁基伊能源科技取得一种基于石墨烯改性碳酸钙脱硝剂的制备方法及其应用专利

辽宁基伊能源科技有限公司取得一项名为“基于石墨烯改性碳酸钙脱硝剂的制备方法及其应用”的专利,授权公告号 CN 113828130 B,申请日期为2021年10月。

12.深圳稀导技术取得一种3D智能设备用石墨烯加热原件专利

深圳稀导技术有限公司取得一项名为“一种3D智能设备用石墨烯加热原件”的专利,授权公告号CN 221829117 U,申请日期为2023年11月。

13.北京石墨烯研究院取得一项加热器专利

北京石墨烯研究院有限公司取得一项名为“加热器”的专利,授权公告号 CN 221829107 U,申请日期为 2024 年 2 月。

扫描电子显微镜(SEM)原理及应用

扫描电子显微镜,是自上世纪60年代作为商用电镜面世以来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器,被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。如图1所示,为我司扫描电子显微镜的外观图。

图1:扫描电子显微镜的外观图

特点

制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大、保真度高、有真实的三维效应等[1],对于导电材料,可直接放入样品室进行分析,对于导电性差或绝缘的样品则需要喷镀导电层。

基本结构

从结构上看,如图2所示,扫描电镜主要由七大系统组成,即电子光学系统、信号探测处理和显示系统、图像记录系统、样品室、真空系统、冷却循环水系统、电源供给系统。

图2:扫描电子显微镜结构图

其中最重要的三个系统是电子光学系统、信号探测处理和显示系统以及真空系统。

 1、电子光学系统

电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈、样品室等,主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。

2、信号探测处理和显示系统

电子经过一系列电磁透镜成束后,打到样品上与样品相互作用,会产生二次电子、背散射电子、俄歇电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如二次电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成象,但习惯上,仍然将X射线分析系统划分到成象系统中。

3、真空系统

真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。

 真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类,机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨灯丝枪的扫描电镜的真空要求,但对于装置了场致发射枪或六硼化镧及六硼化铈枪的扫描电镜,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成象系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为样品室,用于放置样品。

基本原理

扫描电子显微镜是利用材料表面微区的特征(如形貌、原子序数、化学成分、或晶体结构等)的差异,在电子束作用下通过试样不同区域产生不同的亮度差异,从而获得具有一定衬度的图像。成像信号是二次电子、背散射电子或吸收电子,其中二次电子是最主要的成像信号。图3为其成像原理图,高能电子束轰击样品表面,激发出样品表面的各种物理信号,再利用不同的信号探测器接受物理信号转换成图像信息。

图3:扫描电子显微镜成像原理图

 扫描电镜除能检测二次电子图像以外,还能检测背散射电子、透射电子、特征x射线、阴极发光等信号图像。其成像原理与二次电子像相同。在进行扫描电镜观察前,要对样品作相应的处理。

对样品的要求

1、不会被电子束分解

2、在电子束扫描下热稳定性要好

3、能提供导电和导热通道

4、大小与厚度要适于样品台的安装

5、观察面应该清洁,无污染物

6、进行微区成分分析的表面应平整

7、磁性试样要预先去磁,以免观察时电子束受到磁场的影响

样品的制备

1、块样

对于金属、岩矿或无机物,切割成要求的尺寸,粘在样品台上。如果样品数量多,注意样品尺寸最好一致。

 微区成分分析样品表面应该平台或经研磨抛光,可以保证检测时几何条件不变。对于样品的断口面,要选择起伏不大的部位,最好是分析点附近有小的平坦区。可使用离子铣刀仪对样品进行抛光处理,设备如图4右侧所示。样品表面和底面应该平行。

 非导电或导电性较差的材料,要先进行镀膜处理,在材料表面形成一层导电层。以避免电荷积累,影响图像质量,并可防止试样的热损伤。可使用离子溅射仪对样品进行表面喷金,设备如图4左侧所示。

图4.离子溅射仪和离子铣刀仪

2、粉样

(1)微米级粉料:将粉样撒在样品台的双面胶上,用手指轻弹样品台四周,粉料悔=会均匀地向四周移动,铺平一层,侧置样品台,把多余粉料抖掉;用纸边轻刮、轻压粉料面,使粉料与胶面贴实;用耳球从不同方向吹拂粉料。经此过程,粉料已牢固、均匀地粘在双面胶上。

 (2)对于亚微米级或纳米粉料进行成分分析:利用压片机压成结实的薄片。把薄片用双面胶粘在样品台上 。

扫描电镜的应用

扫描电镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器.它可以进行如下基本分析: 
1、观察纳米材料其具有很高的分辨率,可以观察组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-100nm范围内,在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。

 2、材料断口的分析其景深大,图象富立体感,具有三维形态,能够从断口形貌呈现材料断裂的本质,在材料断裂原因的分析、事故原因的分析以及工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。 
3、直接观察大试样的原始表面:它能够直接观察直径100mm,高50mm,或更大尺寸的试样,对试样的形状没有任何限制,粗糙表面也能观察,这便免除了制备样品的麻烦,而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度(背散射电子象)。

 4、观察厚试样:其在观察厚试样时,能得到高的分辨率和最真实的形貌。

 5、观察试样的各个区域的细节:试样在样品室中可动的范围非常大,可以在三度空间内有6个自由度运动(即三度空间平移、三度空间旋转),这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。 

 6、在大视场、低放大倍数下观察样品,用扫描电镜观察试样的视场大:大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的,如刑事侦察和考古。 
7、进行从高倍到低倍的连续观察:扫描电镜的放大倍数范围很宽(从5到20万倍连续可调),且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察,不用重新聚焦,这对进行分析特别方便。 

 8、观察生物试样:由于电子照射面发生试样的损伤和污染程度很小,这一点对观察一些生物试样特别重要。 
9、进行动态观察:如果在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件,则可以观察相变、断烈等动态的变化过程。 

 10、从试样表面形貌获得多方面资料:因为扫描电子象不是同时记录的,它是分解为近百万个逐次依此记录构成的。使得扫描电镜除了观察表面形貌外还能进行成分和元素的分析,以及通过电子通道花样进行结晶学分析,选区尺寸可以从10μm到3μm。 

 由于扫描电镜具有上述特点和功能,所以越来越受到科研人员的重视,用途日益广泛。现在扫描电镜已广泛用于材料科学(金属材料、非金属材料、纳米材料)、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害(火灾、失效分析)鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制等。

永清石墨烯研究院检测中心简介

检测中心围绕石墨烯和新能源材料相关实验和检测分析搭建实验室业务能力,涵盖材料微观形貌、热学性能、理化性能、力学性能和电池电性能等检测项目,满足企业大部分研发、中试检测需求。检测认证中心通过CNAS认可实验室认证,实验室面积达1600m2,配备日立冷场发射扫描电子显微镜、耐驰激光导热分析仪、梅特勒同步热分析仪等180多台套仪器设备。检测中心秉持“公正、诚信、科学、高效”的原则,竭诚为国内外企业和高校科研院所提供高质量的检测服务。

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面积和表面积

表面是固体与周围环境, 特别是液体和气体相互影响的部分; 表面的大小即表面积。表面积可以通过颗粒分割(减小粒度)和生成孔隙而增加,也可以通过烧结、熔融和生长而减小。

比表面积

比表面积英文为specific surface area,指的是单位质量物质所具有的总面积。分外表面积、内表面积两类。国际标准单位为㎡/g。

根据 ISO15901 中的定义,不同的孔(微孔、介孔和大孔)可视作固体内的孔、通道或空腔,或者是形成床层、压制体以及团聚体的固体颗粒间的空间(如裂缝或空隙)。

开孔和闭孔

多孔固体中与外界连通的空腔和孔道称为开孔(open pore),包括交联孔、通孔和盲孔。这些孔道的表面积可以通过气体吸附法进行分析。

除了可测定孔外,固体中可能还有一些孔,这些孔与外表面不相通,且流体不能渗入,因此不在气体吸附法或压汞法的测定范围内。不与外界连通的孔称为闭孔(close pore)。

开孔与闭孔大多为在多孔固体材料制备过程中形成的,有时也可在后处理过程中形成,如高温烧结可使开孔变为闭孔。

孔隙度

孔隙度是指深度大于宽度的表面特征,一般用孔径及其分布和总孔体积表征。

 

 

工信部、国家发改委两部门部署建设新材料中试平台

据“工信微报”微信公众号消息,为深入贯彻党的二十届三中全会精神,推动科技创新和产业创新融合发展,工业和信息化部、国家发展改革委近日联合印发《新材料中试平台建设指南(2024—2027年)》(以下简称《建设指南》),聚焦短板材料突破和前沿材料创新的关键共性技术,以支撑科技成果转化形成产业化能力为目标,支持引导地方开展新材料中试平台建设和能力提升,破解我国新材料领域中试平台统筹布局不够、建设质量不高、服务支撑不足等问题,打造一批高水平的中试平台。
《建设指南》制定按照“市场主导、政府引导,立足基础、服务产业,因地制宜、形式多样,协同联动、开放共享”原则,主要明确三方面内容:
任务目标方面。提出完善提升平台基础条件能力、技术支撑能力和公共服务能力,将实验室阶段科技成果转化为具备产业化的成熟工艺包和成套装备。到2027年,力争建成300个左右地方新材料中试平台,择优培育20个左右高水平新材料中试平台,打造专业化建设、市场化运营、开放式服务的中试平台体系。
重点领域方面。围绕加快推进新型工业化、建设制造强国战略需求,着眼事关国家安全和经济建设的关键短板材料、引领新兴产业和未来产业发展的前沿材料,聚焦“触类旁通”效应明显、行业进步带动性强的关键共性技术,以专栏形式提出石化化工、钢铁、有色金属、无机非金属、前沿材料5大领域布局重点方向。
实施路径方面。采取“三步走”方式,引导激励地方探索采用灵活多样建设运营模式,开展中试平台建设提升。一是积极培育。引导地方和企业积极培育建设一批对外提供服务的中试平台。二是择优支持。利用相关政策渠道,择优支持若干基础较好的平台建设。三是推广应用。组织总结评估,凝练平台建设实践经验,加大宣传推广。
下一步,工业和信息化部将联合国家发展改革委切实推动《建设指南》落实落地,扎实做好新材料中试平台建设培育、择优遴选、总结评估等工作,为加速新材料创新成果产业化、加快壮大新材料产业、发展新质生产力提供有力支撑。
来源:中国新闻网

三明市石墨和石墨烯产业系列活动在三明学院举行

为切实加强校政企合作,服务地方发展,促进三明市重点产业链石墨和石墨烯特色产业链“延链补链强链”,推动政产学研深度融合,积极搭建学生就业平台和企业引才平台,10月11日下午,由三明学院、三明市委人才办、三明市工业和信息化局、三明市人力资源和社会保障局共同主办的三明市石墨和石墨烯产业系列活动在三明学院举行。

在三明市石墨和石墨烯产业校园引才(三明学院)专场推介会上,三明市工信局介绍了三明市石墨和石墨烯特色产业链发展情况,三明市人事人才公共服务中心解读了三明市人才政策,福建墨砾新材料科技有限公司、福建翔丰华新能源材料有限公司、福建科达新能源科技有限公司等三明市石墨和石墨烯重点企业介绍了企业情况和人才需求。推介会现场收到资源与化工学院、机电工程学院学生投递简历73份。

三明市石墨和石墨烯产业系列活动在三明学院举行

在三明市石墨和石墨烯产业政产学研座谈会上,社会合作处介绍了学校事业发展整体情况,科技处介绍了学校科研整体情况,资源与化工学院、机电工程学院负责人介绍了各自学院情况,三明市工信局、三明经济开发区管委会、三明埔岭汽车工业园区管委会、大田经济开发区管委会及六家石墨和石墨烯企业代表了作了交流发言。座谈会氛围热烈,大家一致表示,将持续强化校政企全方位、宽领域合作,实现多方共赢发展。

三明市石墨和石墨烯产业系列活动在三明学院举行

社会合作处、学工处、科技处(社科处)、资源与化工学院、机电工程学院等有关负责人、相关学科教授博士、相关专业学生参加活动。

(社会合作处、资源与化工学院/供稿)

来源:三明学院官网

石墨烯的二十年,登上Science封面!

石墨烯,Science封面!

制造完美的原子级碳薄片——即石墨烯(左)依然充满挑战。为了实现商业化,许多公司选择使用堆叠的石墨烯纳米片(中)或氧化石墨烯层(右)。这些较经济的替代形式虽然带有缺陷,但仍具备强度和电敏感性等关键特性。在最新一期《Science》封面故事中,石墨烯迎来了它的二十年回顾——从最初的喧嚣到逐渐成熟,揭示了这一二维片材料的崛起之路。

石墨烯,Science封面!

英国国家石墨烯研究所

在英格兰曼彻斯特,一个少见的阳光明媚的日子里,国家石墨烯研究所(NGI)闪耀着如同一块巨大的黑曜石。这个五层楼高的建筑坐落在曼彻斯特大学的中心校园,外墙由近 2000 块带小六边形穿孔的黑色面板组成,象征着石墨烯的原子结构——这种革命性材料正是在附近的实验室首次被分离出来的。

20 年前,Andre Geim和Konstantin Novoselov在这里展示了石墨烯,凭此获得了诺贝尔奖。从那时起,数十亿资金投入到全球石墨烯的研发竞赛中。石墨烯以其卓越的导电性、导热性和超强强度闻名,被誉为未来技术的核心材料,甚至被期望推动可卷曲显示屏和太空电梯的实现。

然而,石墨烯的普及之路并不平坦。尽管早期充满希望,许多公司因未能实现大规模应用而消失,石墨烯的供应一度远超需求。然而,随着研究的深入,一些企业终于找到了应用的突破口。如今,石墨烯不仅出现在消费电子产品中,还被用于混凝土、汽车甚至神经设备中。

尽管如此,最初的单层石墨烯也正在迎来复兴。得益于成本的下降和技术的进步,石墨烯开始在磁性传感器、光通信芯片和医疗设备中发挥关键作用。英国石墨烯设备制造商 Paragraf 的研究总监 Natasha Conway评价道,它已经走过了炒作的高峰和低谷,现在人们终于看到它的真正价值

石墨烯的诞生源自一次看似不起眼的实验:Geim和Novoselov’s的团队用一卷普通的透明胶带,从石墨块上剥离出极薄的石墨片他们耐心筛选,最终发现那些仅有一个原子厚的薄片。这些二维蜂窝状的石墨烯结构很快显露出其非凡的特性——它既不是金属,也不是绝缘体,甚至无法被归类为典型的半导体。

传统半导体中的电子需要能量激发才能导电,而石墨烯作为一种“半金属”,因其零带隙结构,轻微的能量就能让电子自由流动。更令人惊奇的是,石墨烯中电子的行为仿佛没有质量一般,它们几乎不受电阻影响,以极高的速度通过材料。与此同时,石墨烯的强大化学键和蜂窝结构不仅让它拥有极强的韧性,还能快速传导热量,对磁场的敏感度也极高,展现出奇妙的霍尔效应

石墨烯,Science封面!

石墨烯发展时间线

尽管手工剥离的石墨烯二维片非常适合科研实验,但显然难以商业化。真正的突破出现在2009年,德克萨斯的研究人员发现,通过一种名为化学气相沉积(CVD)的工艺,可以在铜箔上大规模生长石墨烯单层。这种方法让石墨烯生产变得更加可控且具备商业潜力。

随之而来的,是石墨烯产业的快速扩张。2013年,纽约的Bluestone Global Tech宣称每天能生产至少20m3的CVD石墨烯,计划在曼彻斯特大学设立生产工厂,并表示其透明、柔韧和高导电性将使石墨烯成为未来电子设备触摸屏的理想材料。

同年,欧盟启动了石墨烯旗舰项目,投入14亿欧元,计划在十年内推动石墨烯的商业化。2015年,英国也加大了投入,斥资6100万英镑开设了国家石墨烯研究所(NGI)。该研究所成了国家的象征。透过窗户,路人可以看到穿着防护服的科学家操作着价值数百万美元的仪器。

石墨烯,Science封面!

曼彻斯特大学石墨烯工程创新中心接待了致力于石墨烯应用商业化的工业合作伙伴

然而,石墨烯的光芒也伴随着挑战。尽管CVD工艺实现了石墨烯的量产,但这种拼接的单层晶体存在接缝问题,导致性能下降。许多公司希望复制研究中单层石墨烯的奇迹,但实际效果往往不尽如人意。此外,现有材料的替代也十分困难,比如触摸屏仍然依赖氧化铟锡这种成熟材料。

生产石墨烯的难点不仅在于生长,还在于将它从铜箔上分离出来。常见的转移方法使用聚合物薄膜,但这种方式容易导致石墨烯撕裂和残留物,影响其性能。早期,CVD石墨烯的质量波动很大,缺乏可重复性。研究员Peter Bøggild指出,许多学术论文的工艺细节不足,导致实验结果难以复制。他与多方合作,希望制定更严格的标准以解决这一问题。

面对CVD石墨烯的挑战,部分研究者转向“自上而下”的方法,用液体去角质或化学手段将石墨撕裂成更小的片段。然而,这些新材料,如石墨烯纳米片(GNP)和氧化石墨烯(GO),与海姆最初的单层石墨烯有很大不同,尽管它们的超能力减弱,仍然在某些应用中展现了价值。例如,GNP增加了材料的强度,GO则有助于散热。关键在于为每个应用找到最合适的石墨烯形式。

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石墨烯如何堆叠

曼彻斯特大学在石墨烯商业化的探索中迈出了关键一步,距NGI不远的石墨烯工程创新中心(GEIC)应运而生。这座耗资6000万英镑、2018年开业的工业孵化器,以其严肃的设计和中试生产设施昭示着它在石墨烯研发中的重要性。GEIC的贡献不仅仅是基础设施,还在于帮助企业应对石墨烯商业化的挑战。在早期,石墨烯市场混乱,许多公司对石墨烯的层数和特性并不明确,影响了应用开发。2017年,国际标准化组织明确规定石墨烯指单层结构,而多层石墨烯则包含3到10层。然而,即使在今天,许多公司仍会宣称自己的产品具有单层石墨烯的奇异性能。

尽管如此,石墨烯及其衍生物依然展现出巨大的潜力。比如,西班牙公司INBRAIN使用还原氧化石墨烯(rGO)制造电极阵列,这些设备可用于监测大脑活动,帮助医生在手术中区分健康和病变组织。该设备已经在曼彻斯特展开临床试验,且获得了美国FDA的“突破性设备”称号,有望加速用于帕金森病治疗

其他石墨烯应用也在蓬勃发展。中国的第六元素公司每年生产约1000吨GO,用于电子产品的散热,如华为的智能手机。加拿大GIT Coatings则利用石墨烯纳米片开发防附着涂层,减少船体摩擦,节省燃料GEIC还与福特合作开发了含石墨烯的汽车零部件,已应用于超过500万辆汽车上。石墨烯的未来,尽管充满挑战,但这些应用展示了它的广泛可能性。

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这种石墨烯和聚合物粘合剂的罗夏墨迹浆料可用于提高电池的性能

与此同时,一些初创公司开始利用石墨烯的惰性和不渗透性,开发防腐涂料和气密包装材料。还有一些公司通过打孔或堆叠石墨烯薄片,制造出用于气体分离和海水淡化的多孔膜。石墨烯在混凝土领域的应用也备受期待,特别是在减少水泥使用方面。水泥生产是全球二氧化碳排放的主要来源,占8%。GEIC的合作伙伴Concretene公司开发了一种仅需添加0.1% GNP和GO纳米片的混合物,便可将水泥使用量减少30%。该公司已在三个建筑项目中进行了试验,预计明年会将这种混凝土添加剂推向市场。

尽管石墨烯的市场当前估值为每年约1.5亿美元,IDTechEx预计到2034年这一数字可能增至16亿美元。随着技术进步,特别是CVD石墨烯的转移问题逐步得到解决,单层石墨烯的市场份额有望增加。西班牙的Graphenea公司已经可以将CVD石墨烯从铜箔转移到200毫米硅晶圆上,这对于大规模半导体生产非常关键。

石墨烯的应用不仅限于工业,生物传感器领域的研究也在不断推进。INBRAIN目前正在开发一种比rGO电极阵列更灵敏的石墨烯FET,能够检测大脑内部的单个神经元放电。此类技术有望推动癫痫等神经疾病的诊断和治疗。此外,单层石墨烯还在光电器件中表现出色,可用于加速光通信。德国的Black Semiconductor公司正在将石墨烯集成到硅芯片中,提升数据处理速度,最近获得了超过2.5亿欧元的资金支持来推进这一技术。石墨烯的潜力正在逐步释放,尤其是在长期投资和技术突破的推动下,它的应用前景越来越广阔

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石墨烯纳米片已被用来增加各种产品的强度和耐用性,包括轮胎、沥青和汽车零部件

然而,想让主要芯片制造商真正采用石墨烯材料,CVD生长和转移技术还需进一步改进。石墨烯旗舰项目中试线总监Inge Asselberghs解释道“半导体行业要求极高,”。她与Graphenea等合作伙伴正在研究用刚性玻璃基板转移高质量CVD石墨烯,尽管仍需显微镜下清除缺陷部分,但损坏远小于传统的柔性聚合物转移法。与此同时,丹麦石墨烯旗舰公司2D则采用了不同的策略。Bøggild的团队发现,借助简单的层压机,就能将石墨烯干净地从铜箔转移到聚合物片上,再应用于其他表面。这种方法污染更少,现已商业化,使用卷对卷工艺生产一米长的石墨烯薄膜

英国公司Paragraf则完全跳过了转移步骤,采用MOCVD技术,直接在基质上生长石墨烯。这一技术提升了再现性,现已用于大规模生产基于石墨烯的电子设备,如磁传感器和生物传感器。Conway表示,他们的磁传感器能精准检测微小磁场,正被汽车制造商测试用于电动车电池的健康监测。未来,Paragraf计划将其他二维材料(如二硫化钼)与石墨烯结合,创建材料堆栈。这一前沿技术有望通过微调材料特性,实现全新的电子设备。NGI的固态物理学家Roman Gorbachev已经开始用自制生产线制造这类二维材料堆叠设备,其系统包括高真空环境下的机器人装配。近期,他的研究显示,扭转双层石墨烯1.1°可将其转变为超导体

Roman Gorbachev认为,这些高端应用虽仍需时间,但正逐渐走向商业化。他与Geim都同意,二维材料的前景可能最终超过石墨烯本身。“石墨烯是一次冒险,它的影响远超预期。”

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永清石墨烯研究院检测中心围绕石墨烯和新能源材料相关实验和检测分析搭建实验室业务能力,涵盖材料微观形貌、热学性能、理化性能、力学性能和电池电性能等检测项目,满足企业大部分研发、中试检测需求。检测认证中心通过CNAS认可实验室认证,实验室面积达1600m2,配备日立冷场发射扫描电子显微镜、耐驰激光导热分析仪、梅特勒同步热分析仪等180多台套仪器设备。检测中心秉持“公正、诚信、科学、高效”的原则,竭诚为国内外企业和高校科研院所提供高质量的检测服务。